摻花崗巖石粉對低強水工混凝土強度及微觀結(jié)構(gòu)的影響研究

(本溪市水務(wù)事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 本溪 117000)

花崗巖在水利、交通、建筑等工程中已普遍使用，但對使用過程中廢棄的花崗巖的資源化利用程度并不高，由此造成了一系列生態(tài)環(huán)境問題。加強對廢棄礦物料的回收利用，不僅可以節(jié)約工程投資，改善混凝土材料的力學(xué)性能，同時也響應(yīng)國家節(jié)能減排和加強環(huán)保建設(shè)的號召，可以產(chǎn)生很好的社會經(jīng)濟效益[1-3]。

國家近些年來加大了對水電等清潔能源的投資力度，水工混凝土作為水電建設(shè)中最為重要的結(jié)構(gòu)材料之一，如何既提高其耐久性能，又節(jié)約投資，是一項十分艱巨的任務(wù)[4]。影響水工混凝土力學(xué)性能的因素有材料本身、外加劑、摻和料、施工因素、環(huán)境因素等[5-8]，在設(shè)計施工過程中應(yīng)引起高度的重視。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，花崗巖對混凝土的力學(xué)性能有一定的提升作用，在宏觀力學(xué)和微觀結(jié)構(gòu)上可對混凝土起到一定的改善作用，因此，可將花崗巖石粉充分利用于水工建設(shè)當(dāng)中[9-13]。

水工渠道、壩基混凝土回填、次要建筑物等水工結(jié)構(gòu)部位的混凝土的設(shè)計強度一般不高，由于設(shè)計和施工等原因，造成了防滲成本較高且防滲效果也不是很理想，故而將花崗巖石粉運用于低強水工混凝土，既可提升其整體防滲性能，又能滿足設(shè)計強度，對于工程實踐具有很重要的現(xiàn)實意義。本文開展了摻量為0、5%、10%、15%、20%、25%、30%情況下的宏觀和微觀試驗，試圖找到最佳花崗巖石粉摻量，并建立微觀參數(shù)和宏觀參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系，為今后工程的設(shè)計施工提供借鑒。

1 試驗概況

圖1 花崗巖粒度測試曲線

試驗所選用的花崗巖石粉為當(dāng)?shù)匾患沂膹S生產(chǎn)過程中丟棄的石材廢料，主要化學(xué)成為SiO2、Al2O3和Na2O，細度范圍為0～150um，粒度測試曲線見圖1。水泥等級為P.C32.5R，石子的級配范圍為5～20mm，河砂級配為0～4.75mm，減水劑類型為苯系減水劑，其減水率大于20%。采用等量替換的試驗準則，在混凝土中分別添加0、5%、10%、15%、20%、25%、30%花崗巖石粉，水膠比均為0.4。將各配合比下的混凝土制成邊長為20cm的正方體試件，放置于標準養(yǎng)護箱(20℃±2℃恒溫，95%恒濕)中進行標準養(yǎng)護3天、7天和28天。采用萬能材料試驗機對混凝土進行抗壓試驗，應(yīng)力加載速率為0.3～0.5MPa/s，采用壓汞試驗結(jié)合電鏡掃描儀對試件進行微觀孔隙結(jié)構(gòu)的測試和分析。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 強度特征分析

圖2 強度隨摻量變化關(guān)系

各試驗組下不同標準養(yǎng)護時間的混凝土強度變化特征見圖2。從圖2可以觀察到：摻入不同量花崗巖石粉后，對混凝土的強度有比較大的影響，具體情況為：當(dāng)花崗巖石粉摻入量為0～10%時，混凝土的強度呈逐漸遞增趨勢，當(dāng)摻入量大于10%之后，混凝土的抗壓強度呈逐漸降低趨勢，表明花崗巖石粉摻入量并不是越多越好，其最佳摻入量為10%左右，這是因為花崗巖石粉在混凝土中主要發(fā)揮兩種作用，一是充當(dāng)毛管孔隙和過渡區(qū)的微填料；二是充當(dāng)微晶核，促進水化產(chǎn)物大量附著，減小水化產(chǎn)物濃度。但是當(dāng)花崗巖石粉超過一定量之后，由于其不具備火山灰的活性，不能參與二次水化反應(yīng)，因此導(dǎo)致其對混凝土強度的貢獻率小于凝膠材料減少對強度的貢獻率，故而整體的強度會有所減小。標準養(yǎng)護3天后，混凝土的強度達到養(yǎng)護28天后的57%～70%；標準養(yǎng)護7天后，混凝土強度已經(jīng)達到養(yǎng)護28天后的75%～80%。與純水泥組相比，當(dāng)花崗巖石粉摻入量為10%時，其早期強度提升幅度更快，3天后達到了67%，7天后達到75%，而純水泥組3天的強度僅為57%，7天也為75%。

2.2 孔隙結(jié)構(gòu)特征分析

采用壓汞試驗對不同花崗巖石粉摻量混凝土試件的凝膠孔、過渡孔、毛細孔以及大孔等進行了分布影響的測試，其結(jié)果見圖3。從圖中可以看到：凝膠孔的分布量在4種孔隙中是最小的，基本小于10%，且隨著花崗巖石粉摻量的增大，凝膠孔呈先增大后減小的變化特征：在摻量10%時，達到最大值10.2%，過渡孔的含量最大；當(dāng)花崗巖石粉摻量小于20%時，過渡孔呈逐漸增大趨勢；當(dāng)含量超過20%后，過渡孔含量迅速降低；毛細孔的含量變化最為穩(wěn)定，且幅度不大，在12.5%～20.2%之間，隨著花崗巖石粉摻量的增大，毛細孔孔隙百分比逐漸減小。大孔孔隙率變化特征與過渡孔相反，呈先減小后增大趨勢，且突變點也是在摻量20%處。表明了花崗巖石粉摻入后主要通過過渡孔與大孔之間的相互轉(zhuǎn)化，改變了混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)特征，進而導(dǎo)致其強度、滲透性等力學(xué)行為發(fā)生改變。

圖3 孔隙分布隨摻量變化關(guān)系

2.3 電鏡掃描結(jié)果分析

圖4為花崗巖石粉摻量為0、10%、20%、30%的電鏡掃描結(jié)果(齡期均為28天)。從圖中可以看到：沒有摻入花崗巖石粉時，混凝土孔隙較少，結(jié)構(gòu)致密，顆粒直徑較小；當(dāng)摻入10%的花崗巖石粉后，混凝土仍然較為致密，水化產(chǎn)物有明顯擠壓孔隙的現(xiàn)象，孔隙直徑減小，形成部分喉道；當(dāng)摻入量為20%時，混凝土顆粒直徑較大，結(jié)構(gòu)致密性在一定程度上有所減小，孔隙直徑和數(shù)量均較純水泥組增加很多，有很多喉道產(chǎn)生；當(dāng)花崗巖石粉摻入量為30%后，混凝土的結(jié)構(gòu)整體性較差，顆粒間更加疏松，水化產(chǎn)物明顯減少，喉道大量存在，孔隙直徑和數(shù)量大大增加。喉道在一定程度上可增加強度，提升抗?jié)B性能，但孔隙直徑和數(shù)量的增加又會削弱骨架之間的聯(lián)系，使得混凝土的強度和抗?jié)B性降低，故而表現(xiàn)為隨摻量增加呈先增后減的趨勢。

圖4 電鏡掃描結(jié)果

2.4 強度-孔隙率-孔隙體積-分形維數(shù)模型

孔隙率P是影響混凝土強度的主要因素之一，一般認為孔隙率越大的物質(zhì)，其強度越低，而孔隙率在混凝土內(nèi)部又是無規(guī)則分布的，因此，對混凝土內(nèi)部無規(guī)則孔隙分布引入分形維數(shù)D進行描述，同時在孔隙體積上認為小于20mm的孔隙為無害孔，即考慮孔隙體積大于20mm的孔隙體積量V。首先，通過試驗及測試數(shù)據(jù)分別得到了P、V、D與花崗巖石粉摻量λ之間的相互關(guān)系，見圖5。從圖中可以看出：孔隙率隨花崗巖石粉摻量呈先減后增的趨勢，孔隙體積呈先增后減特征，而分形維數(shù)也與摻量呈先略微減小后逐漸增大趨勢，且三者與摻量之間均呈良好的二次擬合關(guān)系。

P=0.0088λ2-0.0786λ+14.088

(1)

V=-2E-05λ2+0.0007λ+0.0354

(2)

D=5E-05λ2-0.0005λ+2.7862

(3)

圖5 P、V、D與摻量關(guān)系

考慮混凝土強度受孔隙率、孔隙體積以及分形維數(shù)三者的相互交叉作用，擬確定如下關(guān)系式：

σ=a0+a1P+a2V+a3D+a4P2+a5V2+a6D2+

a7PV+a8PD+a9VD

(4)

式中，a0～a9為計算系數(shù)。對式(4)進行非線性參數(shù)擬合分析，最終分析得到如下參數(shù)結(jié)果(見表1)的相關(guān)性最高，相關(guān)性系數(shù)R2=0.95。將參數(shù)代入式(4)，最終得到混凝土強度與P、V、D的關(guān)系：

σ=19840-13890D+2435D2-24PV

(5)

表1 各參數(shù)擬合情況

將式(1)～式(3)代入式(5)，得到強度與花崗巖摻量的關(guān)系，然后以28天抗壓強度為標準值，得到模型預(yù)測值與試驗強度值的相關(guān)關(guān)系，見圖6。從圖中可以看出：模型擬合得到的強度值與試驗所得強度值有較高的擬合精度，由于在低摻量情況下，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化較為復(fù)雜，因而擬合精度稍差，但整體來講文中建立的強度-孔隙率-孔隙體積-分形維數(shù)模型具有工程適用性。

圖6 強度預(yù)測、試驗值關(guān)系

3 結(jié) 論

a.隨著花崗巖石粉摻量的增加，混凝土的強度呈先增后減變化特征；凝膠孔和過渡孔隨摻量增加呈先增后減趨勢，毛細孔呈逐漸減小特征，大孔呈先減小后增大的變化特征；花崗巖石粉的最佳摻量為10%左右。

b.花崗巖石粉摻量的增加，使得混凝土內(nèi)部喉道逐漸增多，且孔隙數(shù)量和直徑也隨之增加，這是混凝土強度、滲透性變化的主要影響因素。

c.根據(jù)試驗結(jié)果，建立了低強水工混凝土“強度-孔隙率-孔隙體積-分形維數(shù)”模型，可初步描述不同花崗巖石粉摻量情況下混凝土的強度變化關(guān)系，可在工程實踐中推廣使用。